PWM調制的設計與實現

辛曉寧，王曉旭

（沈陽工業大學 研究生學院，遼寧 沈陽 110870）

在電動機領域中，隨著高開關頻率的功率器件，如IGBT，MOSFET等的出現和對開關電源性能要求的不斷提高，其控制技術成為影響電源性能的主要因素。開關變換器普遍采用脈沖寬度調制 （PWM）實現輸出電壓的控制。當PWM波形用于電動機控制和運動控制時，設計的PWM電路可以大大減少產生PWM波形的CPU開銷和減少用戶的參與工作量[1]。介紹了運用比較單元和PWM電路產生PWM波形。仿真驗證了這種方法的可行性與優越性。這種方法使得在許多應用場合中的開關和同步磁組電動機的控制變得非常的簡單容易，提高了輸出動作控制的靈活性。

1 PWM信號產生原理

要產生一個PWM信號，如圖1所示，需要有一個合適的定時器來重復產生一個與PWM周期相同的計數周期，一個比較寄存器保持著調制值，它不斷地與定時器計數器的值進行比較，當兩個值匹配時，在相應的輸出上就會產生一個轉換（從低到高或從高到低）。當兩個值之間的的二個匹配產生或一個定時器周期結束時，相應的輸出會產生另一個轉換（從高到低或從低到高）。通過這種方法所產生的輸出脈沖的開關時間就會與比較寄存器的值成比例。在沒個定時器周期中，這種過程都會出現，但每次比較寄存器中的調制值是不同的，這樣在相應的輸出上就會產生一個PWM信號[2]。

圖1 PWM信號產生原理圖Fig.1 PWM signal generation principle diagram

2 PWM調制電路的設計

2.1 PWM調制電路的內部結構

PWM波形的輸出，由定時器本身和比較單元產生，定時器的結構框圖如圖2所示，其中主要包括：

1）一個可讀寫的16位增/減計數器的寄存器；

2）一個可讀寫的16位定時器比較寄存器（雙緩沖）T1CMPR；

3）一個可讀寫的16位定時器周期寄存器（雙緩沖）T1PR；

4）一個可讀寫的16位定時器控制寄存器T2CON；

5）用于內部或外部時鐘輸入的可編程的預定標器（Prescaler）；

6）一個定時器比較輸出引腳T1CMP；

7）輸出條件邏輯；

8）其他全局控制寄存器GPTCONA。

圖2 定時器功能結構圖Fig.2 The timer function structure

比較單元的原理框圖如圖3所示，其中主要包括：

1）3 個 16 位的比較寄存器（CMPR1，CMPR2，CMPR3）它們各帶一個相應的映射寄存器，該寄存器可讀寫；

2）一16位的比較控制寄存器（COMCONA），該寄存器可讀寫；

3）一個16位的動作控制寄存器（ACTRA），該寄存器可讀寫。

4）6 個 PWM 輸出（PWMy，y=1，2，3，4，5，6）。

圖3 比較單元功能結構圖Fig.3 More units function structure

2.2 PWM電路的工作原理

圖2圖3給出了PWM電路的基本原理框圖。給出了PWM信號產生的兩種方式，分別由定時器本身產生的PWM信號和由比較單元產生的PWM信號。

定時器都有一個相應的比較寄存器T1CMPR和一個PWM輸出引腳T1PWM。定時器計數器的值連續地與相應的比較寄存器的值進行比較，當定時器計數器的值與比較寄存器的值相等時就產生比較匹配。可通過對他T1CON[1]置1來使能比較操作。如果比較已經被使能，當產生比較匹配時會產生以下情況：

1）定時器的比較中斷寄存器標志位在匹配后的一個CPU時鐘周期被置位。

2）在匹配后的一個CPU時鐘周期后，根據GPTCONA寄存器相應位的配置情況，相應的PWM輸出將發生跳變。

3）如果比較中斷標志位被相應的GPTCONA位選擇用于啟動ADC（數模轉換），則當比較中斷標志位被置位的同時，也會產生ADC（數模轉換）的啟動信號。

如果比較中斷沒有被屏蔽，則比較中斷標志位會產生一個外設中斷請求。

比較單元的定時器計數器連續與比較寄存器的值進行比較，當一個匹配產生時，比較單元的兩個輸出按照動作控制寄存器（ACTRA）中的位進行跳變。ACTRA寄存器中的位可以分別指定在比較匹配時每個輸出為高有效或低有效切換（如果沒有強制高或低）。當定時器和比較寄存器之間產生一個匹配并且比較被使能時，與比較單元相對應的比較中斷寄存器將被置位。如果中斷沒有被屏蔽，則產生外設中斷請求信號。輸出跳變的時序、中斷標志位的設置和中斷請求的產生都與定時器的比較操作有關[3]。

2.3 PWM電路的設計

PWM電路也就是脈寬調制電路，是PWM信號產生的主要部分，其主要包括非對稱/對稱波形發生器、可編程的死區單元、輸出邏輯、空間向量PWM狀態機4個部分[4]。它的功能框圖如圖4所示。

圖4 PWM電路功能結構圖Fig.4 PWM circuit function structure

波形發生器的特征如下：

1）用于與比較單元相對應的PWM輸出對的可編程死區單元；

2）最小的死區寬度為一個CPU時鐘周期；

3）一個CPU時鐘周期的PWM脈寬或脈寬增/減量；

4）16位的最大PWM分辨率；

5）功率驅動保護中斷；

6）可編程的對稱/非對稱PWM以及空間向量PWM波形；

7）自動重裝載的比較和周期寄存器使CPU得負擔最小；

8）PWM的裝載頻率的快速變化；

9）PWM的脈寬的快速變化。

死區單元：在許多運動/電動機控制和功率電子應用場合中，2個功率器件（上級和下級）被串聯放在一個功率轉換支路中，為了避免擊穿失效，2個器件的打開周期必須不能重疊，這樣就經常需要一對非重疊的PWM輸出來正確地開關這兩個器件。在一個三極管的關斷和另一個三極管導通之間經常要插入一段死區，這段時間延遲允許一個三極管在別的三極管導通之前完全關斷，這個所需的時間延遲由功率三極管的開關特性和特定應用的負載特性來決定。

2.4 PWM產生的寄存器設置

用定時器本身產生PWM波形和由比較單元和相應的電路所產生的PWM波形均需要對相應的寄存器進行配置，其中第一種用定時器需對寄存器的設置為：

1）根據預定的PWM（載波）周期設置T1PR；

2）設置T1CON寄存器以確定計數模式和時鐘源，并啟動PWM輸出操作；

3）將對應于PWM脈沖的在線計算寬度（占空比）的值加載到T1CMPR寄存器中。第二種由比較單元產生PWM波形需對寄存器的設置為：1）設置和裝載ACTRA寄存器，該寄存器地址為7513；2）設置和裝載DBTCONA寄存器，該寄存器地址為7515；3）初始化 CMPRx，x=1，2，3 寄存器，寄存器地址為7517，7518，7519。

2.5 PWM信號產生形式

PWM信號根據定時器工作模式的不同將產生兩種波形，對稱波形和非對稱波形。對稱波形的產生，如圖5所示。

圖5 對稱PWM波形的產生Fig.5 Symmetrical PWM waveform generation

首先通用定時器工作在連續增/減計數模式時，波形發生器的輸出狀態由以下情況決定，計數操作開始時為0，第一次比較匹配之前保持不變，第一次比較匹配時切換狀態，第二次比較匹配之前保持不變，第二次比較匹配時切換狀態，周期結束前保持不變，如果沒有第二次比較匹配，并且下一周期的新的比較值不為0，那么在周期結束后復位為0。

圖6 非對稱PWM波形的產生Fig.6 Asymmetric PWM waveform generation

首先通用定時器工作在連續增計數模式時，波形發生器的輸出狀態由以下情況決定，計數操作開始時為0，第一次比較匹配之前保持不變，第一次比較匹配時切換狀態，周期結束前保持不變，如果在下一周期的新的比較值不為0，那么在周期結束后復位為0[5]。

3 PWM調制電路的仿真實現

該設計的仿真使用Mentor公司的ModelSim軟件，該軟件可在Windows，Linux平臺上使用，支持VHDL或Verilog硬件描述語言（HDL）仿真。它支持所有器件的行為級仿真、VHDL或Verilog仿真激勵。為了測試設計的正確性，編寫了testbench模塊 ，控制寄存器的配置，收發的數據，產生的中斷等[6]。

3.1 PWM對稱波形的仿真驗證

當定時器工作在連續增/減計數模式時，產生對稱的PWM波形，如圖7所示。

圖7 對稱PWM波形Fig.7 Symmetric PWM waveform

3.2 PWM非對稱波形的仿真驗證

當定時器工作在連續增/減計數模式時，產生對稱的PWM波形，如圖8所示。

圖8 非對稱PWM波形Fig.8 Asymmetric PWM waveform

對實驗波形與仿真波形進行比較分析可知，實驗結果是正確的 將生成的PWM波通過逆變器驅動異步電機，其運行性能良好，實現了對異步電機的實時數字化控制。

4 結束語

文中介紹了PWM波形的原理與實現方法，通過仿真與硬件實驗研究了PWM以TMS320F2407為控制核心的DSP技術，對研究和開發變頻調速系統具有重要意思，在電動機領域中發揮著越來越重要的作用。

[1]王曉明，王鈴.電動機DSP控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[2]謝寶昌，任永德.電機的DSP控制技術及其應用[M].北京:北京航空航天大學出版社，2005.

[3]張衛寧.TMS320C28x系列DSP的CPU與外設 （上，下）[M].北京:清華大學出版社，2004.

[4]張亮.數字電路設計與VerilogHDL[M].北京:人民郵電出版社，2000.

[5]范正翹.電力傳動與自控制系統[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[6]李傳琦.電力電子技術計算機仿真實驗[M].北京：電子工業出版社，2006.